不同周期載荷系數(shù)下混磁電動機匹配方法

王永強　張乃亮?。ù髴c油田有限責(zé)任公司第六采油廠）

不同周期載荷系數(shù)下混磁電動機匹配方法

王永強張乃亮（大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠）

針對油田三相異步電動機存在能耗高、效率低的問題，在某采油廠現(xiàn)場應(yīng)用混合磁阻電動機。通過油井周期載荷系數(shù)計算混合磁阻電動機的效率，給出不同裝機功率下混合磁阻電動機負(fù)載率與效率變化關(guān)系，有效指導(dǎo)了現(xiàn)場的匹配。試驗表明，與異步電動機相比，混合磁阻電動機的啟動力矩大，降載效果好，裝機功率可下降50%，可有效降低有功消耗，平均有功節(jié)電率達(dá)到14.75%。

抽油機；混合磁阻電動機；負(fù)載率

通過對喇嘛甸油田抽油機井電動機水平的調(diào)查，依據(jù)國家高耗能落后機電設(shè)備淘汰要求，仍有348臺常規(guī)電動機在用，以Y系列異步電動機為主，該類電動機的導(dǎo)磁材料為熱軋硅鋼片，能耗高，效率低，不符合2012年5月國家頒布的GB 18613—2012《中小型三相異步電動機能效限定值標(biāo)準(zhǔn)》，需盡快進(jìn)行淘汰更新。

目前在油田生產(chǎn)對節(jié)能減排要求日益嚴(yán)格的情況下，各種節(jié)能電動機作為提高電動機效率的主要措施，具備很好的節(jié)能效果。其中，混合磁阻電動機（混磁電動機）依據(jù)磁阻最小原理，可以不使用稀土磁鋼或者極少使用稀磁鋼[1]，即磁通總是沿著磁阻最小的路徑閉合，由磁場扭曲產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)子連續(xù)運轉(zhuǎn)。混磁電動機在有效提高電動機效率、降低損耗的同時，其可靠性、適應(yīng)性彌補了以上電動機的不足。與異步電動機相比，無轉(zhuǎn)差損耗，具有較寬的有效負(fù)載區(qū)，可在寬調(diào)速范圍內(nèi)保持電動機的較高能量效率[2]。

1　混磁電動機合理負(fù)載率的計算

應(yīng)用混磁電動機進(jìn)行裝機功率合理匹配，既要滿足變載荷油井的電動機功率裕量要求，又要保證其不出現(xiàn)輕載或過載的低效率高能耗問題。

首先引入周期載荷系數(shù)CLF，該系數(shù)是考慮因抽油機運動特性引起的軸扭矩波動及電動機電流波動的影響系數(shù)，定義為電動機電流均方根值與平均電流之比。周期載荷系數(shù)CLF可通過下式[3]來計算：

式中：CLF——周期載荷系數(shù)；

Ie——電動機電流的均方根值，A；

Im——電動機的平均電流，A；

Ii——電動機的瞬時電流，A。

因電動機效率隨軸功率的波動而變化，1個周期內(nèi)的平均效率不能用效率的平均值來計算，因此，采用平均軸功率和平均輸入功率之比計算[4]：

式中：η——電動機效率，%；

P1m——電動機平均輸入功率，kW；

P2m——電動機平均軸功率，kW；

P0——電動機空載損耗，kW；

PN——電動機額定功率，kW；

α——上、下沖程平均懸點載荷之比。

式中：β——電動機負(fù)載率，%。從上述效率公式可以看出，電動機效率與電動機的負(fù)載率及周期載荷系數(shù)有關(guān)，影響效率的因素有3個:電動機本身的效率特性（和α）；負(fù)載率β；周期載荷系數(shù)CLF。

由此可繪制不同裝機功率的混磁電動機效率在不同CLF時隨β的變化曲線（圖1～圖3）。

圖1　22 kW混磁電動機負(fù)載率與效率變化曲線

圖2　30 kW混磁電動機負(fù)載率與效率變化曲線

圖3　37 kW混磁電動機負(fù)載率與效率變化曲線

由以上圖可知，負(fù)載率越高，CLF對電動機效率的影響越大；電動機具有一定的合理負(fù)載范圍，在此期間電動機的效率可在較高水平上保持穩(wěn)定；當(dāng)電動機負(fù)載達(dá)到一定范圍后，隨負(fù)載的增大，電動機內(nèi)部損耗增加，電動機效率出現(xiàn)下降趨勢。

按電動機效率大于90%確定混磁電動機匹配方案,即選擇混磁電動機時合理的裝機功率，確定負(fù)載率合理下限，杜絕電動機功率過大；確定合理負(fù)載率上限，杜絕電動機功率偏小燒電動機，合理負(fù)載率上限也可以按電動機效率開始下降的位置點來確定最小裝機功率（表1、表2）。

表1　混磁電動機合理負(fù)載率下限

表2　混磁電動機合理負(fù)載率上限

2　現(xiàn)場試驗

通過確定混磁電動機負(fù)載率合理上下限，現(xiàn)場應(yīng)用混磁電動機開展了裝機功率降級試驗。

2.11#井裝機功率降級現(xiàn)場試驗

1#井現(xiàn)場用45 kW混磁電動機替換55 kW異步電動機。試驗后，平均有功百米噸液耗電比試驗前降低5.1%，無功百米噸液耗電降低95.3%（表3）。

表3　1#混磁電動機試驗測試數(shù)據(jù)

2.22#井裝機功率降級現(xiàn)場試驗

2#井用22 kW替換45 kW電動機，應(yīng)用22 kW混磁電動機后平均有功百米噸液耗電比試驗前降低14.75%，無功百米噸液耗電降低63.1%（表4）。

表4　2混磁電動機試驗測試數(shù)據(jù)

3　結(jié)論及認(rèn)識

混合磁阻電動機適用于油田抽油機井高耗能異步電動機的更新匹配，可以提高電動機功率因數(shù)，提高電動機效率；通過抽油機井周期載荷系數(shù)，可以準(zhǔn)確計算混磁電動機負(fù)載率與電動機效率關(guān)系，從而有效指導(dǎo)混磁電動機的現(xiàn)場匹配工作。現(xiàn)場試驗裝機功率最大可下降50%，有功節(jié)電率達(dá)到14.75%，滿足油井產(chǎn)能變化所需的負(fù)載裕量。

[1]王洪武,陳業(yè)明,陳磊,等.同步磁阻電動機矢量控制研究[J].微特電動機,2015,43（4）:74-76.

[2]朱孝勇,程明,趙文祥,等.混合勵磁電動機技術(shù)綜述與發(fā)展展望[J].電工技術(shù)學(xué)報,2008,23（1）:30-37.

[3]魏子良.基于負(fù)載率的異步電動機經(jīng)濟(jì)運行的研究[J].控制工程,2003,10（5）:22-24.

[4]胡博仲.大慶油田機械采油配套技術(shù)[M].北京:石油工業(yè)出版社,1998:137.

（編輯李珊梅）

10.3969/j.issn.2095-1493.2016.06.011

王永強，高級工程師，1999年畢業(yè)于華東石油大學(xué)（石油工程專業(yè)），從事油氣田采油工程技術(shù)工作，E-mail：wangyongqiang1@petrochina.com.cn，地址：黑龍江省大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠工程技術(shù)大隊，163114。

2015-12-18